區(qū)域水資源承 能力計算與評價方法——以北京市昌平區(qū)為例

楊金鵬 郭金燕 黃大英 王 萍

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048）

水資源是一種戰(zhàn)略性自然資源，對于維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全和促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，水資源承載力對一個國家或地區(qū)社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展及其規(guī)模是至關(guān)重要的。

昌平區(qū)快速增長的用水需求與有限的水資源條件存在尖銳的矛盾：第一，本地水資源有限，人口的快速增長以及社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，加劇了水資源的用水緊張形勢，有限的本地水資源難以支撐社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。第二，水資源的空間分布與昌平整體空間發(fā)展布局不協(xié)調(diào)，昌平東部地區(qū)為地下水貧水區(qū)，但該地區(qū)將是社會經(jīng)濟和人口增長較快的地區(qū)，對水量需求必然增加較快，造成水資源供需區(qū)位不協(xié)調(diào)的矛盾。昌平區(qū)本地水資源總量不足和時空分布不均，顯示出研究水資源承載能力以及如何提高水資源承載能力的現(xiàn)實必要性和迫切性。

1 水資源承 能力的計算方法

目前對水資源承載能力的研究主要有兩類：一類是定性分析方法，又稱水資源承載能力的綜合評價，是選擇科學(xué)、合理水資源承載力評價指標(biāo)體系反映水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)模與質(zhì)量，采用有效的評價方法對不同時段、不同策略下水資源承載狀況（水平）進行綜合評價；另一類是定量計算方法，這種方法采用一定的研究模型或方法計算研究區(qū)內(nèi)水資源所能承載的社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境及人口規(guī)模，給出具體的規(guī)模指標(biāo)，如人口、GDP、林草面積等，研究方法主要有常規(guī)趨勢法、簡單定額估算法、多目標(biāo)分析法和系統(tǒng)動力學(xué)法等。本文采用以水資源承載人口為綜合表征指標(biāo)的定量分析方法。

1.1 水資源承 能力的表征方法10

水資源承載能力是指：“在某一具體的歷史發(fā)展階段下，以可以預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，經(jīng)過合理的優(yōu)化配置，水資源對該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力?！彼Y源承載的直接客體是區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，兩大系統(tǒng)服務(wù)的終極承載對象是人口，衡量水資源承載能力大小的主要依據(jù)歸根結(jié)底是承載的人口數(shù)量和相應(yīng)的生活水平。人的生活質(zhì)量需求包括生活、生產(chǎn)、生態(tài)三方面，相對應(yīng)的水資源需要為生活需水、生產(chǎn)需水和生態(tài)需水。采用“水資源承載人口數(shù)量”這一綜合性指標(biāo)表征一個區(qū)域水資源承載能力，不僅直觀，而且也便于不同水平年水資源承載能力的對比分析。

1.2 水資源承 能力的計算方法

以水資源承載人口數(shù)量為綜合表征指標(biāo)的水資源承載能力，是在可持續(xù)發(fā)展原則下，在一定經(jīng)濟技術(shù)水平下，在一定的生活福利標(biāo)準(zhǔn)下，區(qū)域可供水量所能支撐的最大人口規(guī)模。

“可持續(xù)發(fā)展原則”意味著水資源開發(fā)利用必須是可持續(xù)的，既不能動用不可更新的水資源，也不能占用生態(tài)需水而破壞生態(tài)系統(tǒng)的完整性；“一定經(jīng)濟技術(shù)水平”意味著區(qū)域特定的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水效率水平；“一定的生活福利標(biāo)準(zhǔn)”意味著在特定階段應(yīng)該滿足的人均GDP、人均生活用水量等生活需求標(biāo)準(zhǔn)。水資源承載能力的計算實際上是一個優(yōu)化問題，即在一定的水資源可供水量、用水技術(shù)水平、福利水平等約束條件下，求區(qū)域水資源可以承載的最大人口數(shù)量。用數(shù)學(xué)模型可以概化如下：

目標(biāo)函數(shù)：maxP

約束條件：

式中，

P為總?cè)丝冢f人；WOP為水資源可供水量，萬 m3；WP為生活用水量，萬 m3；WGDP為生產(chǎn)用水量，萬m3；WE為生態(tài)環(huán)境用水量，萬m3；GDP為國內(nèi)生產(chǎn)總值，萬元；qP為生活用水定額，L/人*日；qGDP為萬元GDP生產(chǎn)用水量，m3/萬元；PGDP為人均GDP需求標(biāo)準(zhǔn)，萬元/人。

由以上各式得到水資源承載人口P*為：

上式中，P*為水資源承載人口；WOP-WE表示國民經(jīng)濟可供水資源量，萬m3；表示人均國民經(jīng)濟用水定額，m3/人。

2 水資源承 狀況的評價方法

水資源承載狀況評價采用分類評價法，根據(jù)水資源承載人口和規(guī)劃水平年的預(yù)測人口，計算相對承載指數(shù)和絕對承載指數(shù)，據(jù)此評價區(qū)域水資源承載狀況。

2.1 水資源承 狀況評價指標(biāo)

水資源承載狀況評價的目的在于為區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展提供對策。因此，分析的基本指標(biāo)應(yīng)是能夠?qū)⑺Y源承載能力與規(guī)劃水平年的預(yù)測人口有機地結(jié)合起來的綜合指標(biāo)。本文選取兩個基本指標(biāo)：（1）相對承載指數(shù)（Relative Carrying Index簡寫為RCI），即指現(xiàn)在或?qū)砟骋浑A段的實際或預(yù)測人口數(shù)量與水資源承載人口之比值。（2）絕對承載指數(shù)（Absolute Carrying Index簡寫為ACI），即指現(xiàn)在或?qū)砟骋浑A段的實際或預(yù)測人口數(shù)量與水資源承載人口之差值。這兩個指標(biāo)表示水資源承載人口與實際人口之間的關(guān)系，反映水資源的承載狀況。

2.2 水資源承 狀況分類系統(tǒng)

水資源承載狀況的類型劃分是水資源承載能力評價的基礎(chǔ)，不同的類型是對水資源承載狀況的綜合概括。根據(jù)RCI和ACI值的大小，劃分為三個基本類型：

（1）超載，即水資源承載能力小于實際人口量，人水關(guān)系呈不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，確定標(biāo)準(zhǔn)是RCI>1和ACI>0；

（2）臨界，即水資源承載能力等于實際人口量，二者呈平衡狀態(tài)，處于潛在危險之中，確定標(biāo)準(zhǔn)是RCI=1和ACI=0；

（3）不超載，即水資源承載能力大于實際人口量，人水關(guān)系呈可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，確定標(biāo)準(zhǔn)是RCI<1和ACI<0。亞類型是把基本類型進一步劃分為強、中、弱三類，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 水資源承 能力的分類系統(tǒng)及劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)水資源承載能力的評價結(jié)果可知：

若水資源承載狀況為超載，則需調(diào)整戰(zhàn)略，提高水資源承載能力，承載能力提高到本年度的最大時，若規(guī)劃年的預(yù)測還高于水資源承載能力，則說明制定的發(fā)展目標(biāo)已超過水資源承載能力，需適當(dāng)調(diào)低；若水資源承載狀況為臨界狀況，表明國民社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模和發(fā)展速度與水資源承載能力相協(xié)調(diào)；若水資源承載狀況為不超載，則說明該區(qū)域尚有發(fā)展的潛力，可以適當(dāng)提高規(guī)劃目標(biāo)。

3 應(yīng)用實例

以昌平區(qū)為應(yīng)用案例，設(shè)置“本地資源”、“本地資源+再生水”和“本地資源+再生水+外調(diào)水”三個水資源方案，采用水資源承載人口數(shù)量計算法和水資源承載狀況分類評價法，對昌平區(qū) 2015年和 2020年三個方案的水資源承載能力進行計算分析和評價。

3.1 水資源承 人口數(shù) 計算

3.1.1 參數(shù)選取

通過供水預(yù)測，昌平區(qū)2015年和2020年本地資源供水量分別為26217萬m3和28067萬m3，本地資源+再生水供水量分別為33647和36467萬m3，本地資源+再生水+外調(diào)水供水量分別為 37325和42356萬m3，詳見表2。

表2 昌平區(qū)2015年和2020年水資源可供水 （單位：萬m3）

表4 昌平區(qū)水資源承 狀況評價（單位：萬人）

其它計算參數(shù)分別選取為：昌平區(qū) 2015年和2020年生態(tài)環(huán)境用水量分別為7474萬m3和8060萬 m3，生活用水定額均為 120L/人*d，人均 GDP需求標(biāo)準(zhǔn)分別為9.45萬元和12.6萬元（即1.5萬美元和 2.0萬美元），萬元 GDP生產(chǎn)用水量分別為15m3/萬元和10m3/萬元。

3.1.2 計算結(jié)果

采用水資源承載人口數(shù)量計算法，計算昌平區(qū)2015年和2020年三個水資源方案的水資源承載能力，計算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3可知：（1）2015年和2020年“本地資源”的承載人口分別為107萬人和118萬人；（2）2015年和2020年“本地資源+再生水”的承載人口分別為147萬人和167萬人，分別比方案1的承載能力增加40萬人和49萬人；（3）2015年和2020年“本地資源+再生水+外調(diào)水”的承載人口分別為167萬人和202萬人，分別比方案1增加60萬人和84萬人，分別比方案2增加20萬人和35萬人，計算結(jié)果詳見表3。

3.2 昌平區(qū)水資源承 狀況評價

昌平區(qū)2015年和2020年規(guī)劃預(yù)測人口分別為188萬人和205萬人。采用水資源承載狀況分類評價方法，評價昌平區(qū)2015年和2020年三個水資源方案的水資源承載狀況。評價結(jié)果為：①“本地資源”的相對承載指數(shù)分別為1.75和1.74，承載狀況為中超載；②2015年和2020年“本地資源+再生水”的相對承載指數(shù)分別為1.28和1.23，承載狀況均為弱超載；③2015年和2020年“本地資源+再生水+外調(diào)水”的相對承載指數(shù)分別為1.13和1.01，承載狀況分別為弱超載和接近臨界狀態(tài)，評價結(jié)果詳見表 4。由評價結(jié)果可知，通過采用再生水回用（方案 2）和再生水回用及利用外調(diào)水（方案 3）等措施，可以明顯提高水資源承載能力并顯著改善水資源承載狀況。采用再生水回用措施，使 2015年和2020年的承載狀況，由方案1的中超載改善為方案2的弱超載；采用再生水回用和利用外調(diào)水措施，使2020年的承載狀況，由方案2的弱超載改善為方案3的接近臨界狀態(tài)，實質(zhì)性改變了水資源承載狀況。

表3 昌平區(qū)水資源承 狀況評價

4 提 昌平區(qū)水資源承 能力的措施

研究區(qū)域水資源承載能力的最終目的是制定提高水資源承載能力的對策措施，改善水資源承載狀況，以水資源的可持續(xù)利用保障社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。提高水資源承載能力的措施分為工程技術(shù)、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和管理與制度三大類，具體措施包括優(yōu)化社會經(jīng)濟發(fā)展布局、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、開源節(jié)流、調(diào)引外調(diào)水和實行最嚴(yán)格的水資源管理制度等等。

昌平區(qū)屬于資源性缺水地區(qū)，采用工程技術(shù)措施，可以明顯地提高區(qū)域水資源承載能力，具體措施主要為水資源循環(huán)利用和調(diào)用外調(diào)水。

第一，推進水資源的循環(huán)利用，挖掘本地資源潛力。水資源循環(huán)利用包括“自然”和“人工”兩個層面：“自然”循環(huán)，以生態(tài)、水資源保護為重點，開展水土保持，推廣雨洪利用工程，規(guī)劃到2020年通過采用新建水庫、治理坑塘洼地、治理廢棄沙坑和庭院屋頂集雨等措施增加蓄水能力1610萬m3；“人工”循環(huán)，以污水處理、再生水利用為重點，規(guī)劃 2020年前新建未來科技城、馬池口、陽坊、流村、小湯山、南沙河6座再生水廠，擴建昌平再生水廠和沙河再生水廠，預(yù)計 2020年再生水回用量達(dá)到8400萬m3，實現(xiàn)污水的處理再利用。

第二，適量利用外調(diào)水，爭取外部水源支持。為了緩解昌平區(qū)水資源供需矛盾，需要適量通過京密引水渠，調(diào)引密云水庫水源，作為規(guī)劃新建的昌平地表水廠和沙河地表水廠水源，預(yù)計 2020年利用外調(diào)水量5890萬m3，保障水廠供水安全。

5 結(jié)論

本文采用以水資源承載人口數(shù)量計算法和水資源承載狀況分類評價法，設(shè)置“本地資源”、“本地資源+再生水”和“本地資源+再生水+外調(diào)水”三個方案對昌平區(qū)2015年和2020年水資源承載能力進行計算分析和評價，結(jié)論如下：

（1）昌平區(qū)本地水資源總量不足和時空分布不均，本地水資源承載能力薄弱，承載狀況為中超采，不足以承載規(guī)劃的人口規(guī)模；

（2）通過再生水回用和利用外調(diào)水，可以明顯提高水資源承載能力并顯著改善水資源承載狀況，特別是 2020年的承載狀況由超載改善為接近臨界狀態(tài)，水資源承載狀況產(chǎn)生了實質(zhì)性的改變；

（3）建議昌平區(qū)采用水資源的循環(huán)利用和調(diào)用外調(diào)水等工程措施，提高水資源承載能力，保障水資源可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

1. 楊金鵬. 區(qū)域水資源承載能力計算模型研究[D]. 北京: 中國水利水電科學(xué)研究院, 2007.

2. 譚躍進, 陳英武, 易進先. 系統(tǒng)工程原理[M]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)出版社, 1999.

3. 王浩, 秦大庸, 王建華, 李玲躍, 西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源承載能力研究[J]. 自然資源學(xué)報, 2004, 19(2).